CN111170682A - 一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土 - Google Patents

一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于由胶凝组分、抗裂组分、粘度调节组分、水化温升抑制组分、抗腐蚀组分、抗冻组分、减水组分、骨料、水按一定比例在强制式搅拌机中搅拌而成。该混凝土在微振作用下具有优越的自充填性、间隙通过性、动态稳定性、高稳健性和抗开裂性等性能特点，适用于铁路隧道衬砌结构，也适用于公路隧道、水利隧道及地下工程等领域。

Description

一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，适用于铁路隧道衬砌结构，也适用于公路隧道、水利隧道及地下工程领域。
背景技术
我国铁路工程隧道结构多采用复合式衬砌，复合式隧道结构特点为：服役地质环境复杂、 曲面结构构造以及施工操作空间狭小，衬砌混凝土在封闭模腔内流动阻力大，致使仰拱出现 灌注不密实或蜂窝狗洞；混凝土灌注时落差大且流动距离长(6m以上)造成混凝土由于动态 稳定性差引起的强度不足或离散性大；衬砌混凝土内部设置具有保温功能的防水板造成混凝 土内侧温峰最高而引起温度开裂。以上问题的发生会影响隧道衬砌混凝土的耐久性和服役寿 命，严重时会危及列车行车安全。日本新干线已发生多起因施工质量导致的隧道二次衬砌混 凝土掉块中断行车的事故。
德国对二次衬砌混凝土采用单层钢筋网护面结构来解决衬砌混凝土质量问题，但存在钢筋网护面结构造价高、施工困难、工程耗时长的问题。我国也开发衬砌灌注台车以及养护台车来解决衬砌混凝土施工和养护问题。鉴于隧道衬砌特殊结构和施工工况特点，为攻克上述问题，利用混凝土材料自身智能动力来解决由于施工因素导致的衬砌质量缺陷和耐久性不足等问题。针对隧道衬砌狭小空间、曲面结构、封闭模腔、内置钢筋网和内设防水板等特点，隧道衬砌混凝土必须具有自充填性（依靠自身重力充填模腔的能量）、间隙通过性（无阻碍、不离析地通过钢筋间隙的能量）、高动态稳定性（浇筑高程和水平流动过程中保持各组分均匀性的能力）、高稳健性（抵抗原材料性能指标波动及计量偏差对混凝土拌和物产生影响的能力）和抗开裂性（抑制因混凝土温度和干燥收缩导致开裂的能力）五种优异性能。
发明内容
本发明基于铁路工程隧道衬砌对混凝土自充填性、间隙通过性、动态稳定性、高稳健性、抗开裂性要求高的工程背景，创造性的发明了一种包含胶凝组分、抗裂组分、粘度调节组分、水化温升抑制组分、抗腐蚀组分（腐蚀环境）、抗冻组分（冻融破坏环境）、减水组分、骨料及拌和水等组分的铁路隧道衬砌自充填混凝土
本发明的技术方案：一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于由胶凝组分、抗裂组分、黏度调节组分、水化温升抑制组分、抗腐蚀组分（腐蚀环境）、抗冻组分（冻融破坏环境）、减水组分、骨料、水按一定比例在强制式搅拌机中搅拌而成，各组分比例为：
胶凝组分：300-550 kg/m3
抗裂组分：0-50 kg/m3
黏度调节组分：1-5 kg/m3
水化温升抑制组分：0-80 kg/m3
防腐蚀组分：0-10 kg/m3
抗冻组分：0-50 kg/m3
减水组分：2-8 kg/m3
骨料：1600-2000 kg/m3
水：140-170 kg/m3。
本发明中，所述混凝土坍落扩展度为450mm~550mm，振动扩展度不大于650mm，振动U型仪充填高度差不大于50mm，贯入深度不大于7mm，用水量敏感性不小于12kg/m3。
本发明中，所述胶凝组分为水泥与磨细矿渣粉、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、磨细天然沸石中的一种或两种以上组合物。
本发明中，所述抗裂组分为钙镁复合膨胀组分、胶粉、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、高锆耐碱玻璃纤维中的一种或两种以上混合物。
本发明中，所述黏度调节组分为无机纳米颗粒增稠组分与有机黏度调节组分的复合物，无机纳米增稠组分为有机膨润土、表面浸渍硅微粉、沸石粉的一种或两种以上组合物，有机黏度调节组分为改性淀粉、生物胶、聚醋酸乙烯可再分散胶粉、聚酰胺高分子吸水树脂的一种或两种以上混合物。
本发明中，所述水化温升抑制组分为糊精、聚甲酰胺、尿素或相变砂中的一种或两种以上组合物。
本发明中，所述抗腐蚀组分为胺类、醛类、炔醇类、有机磷化合物、有机硫化合物和杂环化合物中的一种或两种以上的组合物。
本发明中，所述抗冻组分为早期防冻组分和后期抗冻组分的混合物，早期防冻组分为硫氰酸钠、亚硝酸钠、亚硝酸钙、碳酸钠、碳酸锂、乙酸钠、甲酸钙、丙烯酰胺中的一种或两种以上组合物，后期抗冻组分为甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚中的一种或两种以上的组合物。
本发明中，所述减水组分为减水率大于25％的聚羧酸系或萘系高性能减水剂。
本发明中，所述骨料为细骨料和粗骨料按一定比例组成的混合物，其中，所述细骨料为细度模数不大于3.0的
Figure 943611DEST_PATH_IMAGE001
区河砂、石英砂、机制砂、尾砂的一种或两种以任意比例的组合物，所述粗骨料为5-31.5mm连续级配碎石、卵石、碎卵石的一种或两种以上以任意比例的组合物。
本发明的机理：
（1）本发明创造性的在隧道衬砌混凝土中引入黏度调节组分，通过矿物球形颗粒的滚珠效应改善混凝土的流动性，通过提升浆体的黏度显著改善因混凝土流动性增大导致的离析，泌水现象，同时能显著提高混凝土拌合物稳健性。
（2）本发明通过水化温升抑制组分的引入，在不显著影响混凝土凝结时间和强度的前提下，通过相变材料的物相转变或溶解吸热效应降低混凝土水化温升，从而减小混凝土因温度应力过大引起的开裂风险。
（3）本发明创造性的引入多尺度纤维，通过对纤维尺寸的功能设计使其全过程抑制混凝土的早期收缩开裂和后期干燥收缩开裂，改善混凝土抗渗、抗冻融等耐久性能。
（4）本发明引入全程膨胀控制组分，通过补偿混凝土塑性阶段和硬化阶段的收缩，提高混凝土体积稳定性。
本发明的有益效果：
本发明提供的用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，经过大量实验和工程应用表明，具有以下优异性能：（1）降低泵送堵管风险，由于混凝土拌和物具有良好的稳定性，泵送过程中砂浆包裹粗骨料一同向前移动，减小了因拌和物离析、扒管造成堵管的风险。（2）自填充效果好。隧道衬砌用自充填混凝土具有良好的流动性，能在微振作用下依靠自身重力充填密实模板，浇筑高度落差2m、水平流动7m范围内混凝土拌和物稳定性良好；（3）混凝土硬化体性能均质性好。由于混凝土拌和物具有良好的稳定性，隧道衬砌矮边墙、拱腰、拱顶等不同结构部位混凝土强度、耐久性能发展均匀。（4）耐久性能优越。通过抗裂组分、水化温升抑制组分的协同作用，显著降低或避免混凝土开裂风险，从而改善因环境侵蚀、冻胀等引起的隧道衬砌混凝土耐久性问题。（5）减少施工作业劳动强度，保证工程质量。由于本发明提出的隧道衬砌自充填混凝土能依靠自身重力充填模板，减少了人工振捣作业工序，避免了因振捣不足引起的工程质量问题。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案做进一步的具体说明，这些实施实例仅限于解释说明本发明，而不限制本发明的范围。
本发明所述的用于隧道衬砌的自充填混凝土的生产工艺为：向混凝土搅拌机中加入经过准确计量的胶凝组分、抗裂组分、粘度调节组分、水化温升抑制组分、骨料，加料完成后持续搅拌30s~60s，再向混凝土搅拌机中加入经过准确计量的减水组分与拌和水，再次持续搅拌3~5min，即可制得隧道衬砌用自充填混凝土。
实施例1：隧道衬砌自充填混凝土设计强度为C30，采用的混凝土配合比见表1, 实验室测定的该隧道衬砌自充填混凝土主要性能见表2，隧道衬砌自充填混凝土现场应用情况及后期检测情况见表3。
表1 C30隧道衬砌自充填混凝土配合比（kg/m3）
胶凝组分 粘度调节组分 骨料 减水组分 拌和水
360 1.5 1877 4.0 150
表2 C30隧道衬砌自充填混凝土主要性能（实验室）
项目 坍落扩展度 振动扩展度 含气量 振动U型仪充填高度差 贯入深度 初凝时间 终凝时间 56d抗压强度 28d电通量
性能 530mm 580m 2.5% 40mm 5mm 8:50 10:45 38.5 MPa 940C
表3 C30隧道衬砌自充填混凝土现场应用情况及后期检测情况
Figure 644719DEST_PATH_IMAGE002
实施例2：隧道衬砌自充填混凝土设计强度为C40，采用的混凝土配合比见表4, 实验室测定的该隧道衬砌自充填混凝土主要性能见表5，隧道衬砌自充填混凝土现场应用情况及后期检测情况见表6。
表4 C40隧道衬砌自充填混凝土配合比（kg/m3）
胶凝组分 粘度调节组分 骨料 减水组分 拌和水
450 1.0 1796 4.5 156
表5 C40隧道衬砌自充填混凝土主要性能（实验室）
项目 坍落扩展度 振动扩展度 含气量 振动U型仪充填高度差 贯入深度 初凝时间 终凝时间 56d抗压强度 抗渗等级 28d电通量
性能 520mm 580m 3.1% 30mm 4mm 9:10 11:10 50.7 MPa P12 820C
表6 C40隧道衬砌自充填混凝土现场应用情况及后期检测情况
Figure 554775DEST_PATH_IMAGE003
实施例3：隧道衬砌自充填混凝土设计强度为C50，采用的混凝土配合比见表7, 实验室测定的该隧道衬砌自充填混凝土主要性能见表8，隧道衬砌自充填混凝土现场应用情况及后期检测情况见表9。
表5 C50隧道衬砌自充填混凝土配合比（kg/m3）
胶凝组分 粘度调节组分 抗裂组分 水化温升抑制组分 骨料 减水组分 拌和水
460 0.7 43 87 1666 6.5 150
备注：抗裂组分组成为40kg/m3膨胀剂与3 kg/m3纤维组合物。
表5 C50隧道衬砌自充填混凝土主要性能（实验室）
项目 坍落扩展度 振动扩展度 含气量 振动U型仪充填高度差 贯入深度 初凝时间 终凝时间 56d抗压强度 抗渗等级 28d电通量
性能 540mm 620m 3.5% 20mm 4mm 9:30 10:50 58.4 MPa P12 730C
表9 C50隧道衬砌自充填混凝土现场应用情况及后期检测情况
Figure 697044DEST_PATH_IMAGE004
由以上实施案例可知，本发明提出的隧道衬砌自充填混凝土满足不同强度等级隧道衬砌用混凝土需求，且具有良好的工作性能和稳定性能和耐久性能，浇筑的隧道衬砌各部位混凝土强度发展均匀。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于：由胶凝组分、抗裂组分、黏度调节组分、水化温升抑制组分、抗腐蚀组分（腐蚀环境）、抗冻组分（冻融破坏环境）、减水组分、骨料、水按一定比例在强制式搅拌机中搅拌而成，各组分比例为：
胶凝组分：300-550 kg/m3
抗裂组分：0-50 kg/m3
黏度调节组分：1-5 kg/m3
水化温升抑制组分：0-80 kg/m3
防腐蚀组分：0-10 kg/m3
抗冻组分：0-50 kg/m3
减水组分：2-8 kg/m3
骨料：1600-2000 kg/m3
水：140-170 kg/m3。
2.根据权利要求1所述的一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于：所述混凝土坍落扩展度为450mm~550mm，振动扩展度不大于650mm，振动U型仪充填高度差不大于50mm，贯入深度不大于7mm，用水量敏感性不小于12kg/m3。
3.根据权利要求1所述的一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于：所述胶凝组分为水泥与磨细矿渣粉、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、磨细天然沸石中的一种或两种以上组合物。
4.根据权利要求1所述的一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于：所述抗裂组分为钙镁复合膨胀组分、胶粉、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、高锆耐碱玻璃纤维中的一种或两种以上混合物。
5.根据权利要求1所述的一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于：所述黏度调节组分为无机纳米颗粒增稠组分与有机黏度调节组分的复合物，无机纳米增稠组分为有机膨润土、表面浸渍硅微粉、沸石粉的一种或两种以上组合物，有机黏度调节组分为改性淀粉、生物胶、聚醋酸乙烯可再分散胶粉、聚酰胺高分子吸水树脂的一种或两种以上混合物。
6.根据权利要求1所述的一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于：所述水化温升抑制组分为糊精、聚甲酰胺、尿素或相变砂中的一种或两种以上组合物。
7.根据权利要求1所述的一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于：所述抗腐蚀组分为胺类、醛类、炔醇类、有机磷化合物、有机硫化合物和杂环化合物中的一种或两种以上的组合物。
8.根据权利要求1所述的一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于：所述抗冻组分为早期防冻组分和后期抗冻组分的混合物，早期防冻组分为硫氰酸钠、亚硝酸钠、亚硝酸钙、碳酸钠、碳酸锂、乙酸钠、甲酸钙、丙烯酰胺中的一种或两种以上组合物，后期抗冻组分为甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚中的一种或两种以上的组合物。
9.根据权利要求1所述的一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于：所述减水组分为减水率大于25％的聚羧酸系或萘系高性能减水剂。
10.根据权利要求1所述的一种用于铁路隧道衬砌的自充填混凝土，其特征在于：所述骨料为细骨料和粗骨料按一定比例组成的混合物，其中，所述细骨料为细度模数不大于3.0的
Figure 741140DEST_PATH_IMAGE001
区河砂、石英砂、机制砂、尾砂的一种或两种以任意比例的组合物，所述粗骨料为5-31.5mm连续级配碎石、卵石、碎卵石的一种或两种以上以任意比例的组合物。
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